CN111879239B - 光谱共焦测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

一种光谱共焦测量装置，包括：光源部，用于以第一预定路径射出具有一定波长范围的宽光谱光束；光学采样部，用于将来自所述光源射出的所述光束聚于待测物体的不同的测量表面，并以不同于与所述第一预定路径相反的第二预定路径输出反射光；以及测量部，用于接收并处理来自所述光学采样部的所述反射光，以获得测量结果。该装置可提高测量精度、降低生产成本。另外，还公开一种光谱共焦测量方法。

Description

光谱共焦测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及一种光学位移测量技术领域，尤其涉及一种光谱共焦测量装置及测量方法。

背景技术

近年来，随着精密制造业的飞速发展，对测量技术的要求也大大提高。光谱共焦传感器为一种基于波长位移调制的非接触式位移传感器，由于其测量精度达到亚微米、甚至纳米级别，且对物体倾斜、表面纹理等不敏感，还具有较强的抗杂散光能力，其迅速成为当前研究的热点，广泛应用于薄膜厚度测量、精密定位、精密仪器制造等领域。

基于光谱共焦技术的光谱共焦测量系统使用光源照射到被测物体表面，由CCD工业相机或光谱仪等探测反射回来的光谱信息，确定聚焦在物体表面的峰值波长，从而获得待测物体表面的轴向距离信息。其原理是利用色散物镜组，使光源光线在经过色散物镜组聚焦后发生色散，在光轴上形成连续的，且到色散物镜组的距离互不相同的单色光焦点，从而建立起波长与轴向距离的线性关系，再利用经待测物体表面反射后的光谱信息得到相应的位置信息。

图1展示一种现有的光谱共焦测量装置，从光源1’发射光，进入耦合部2’后传递到采样部3’，再投射到被测物4’，在被测物4’的表面形成载有测量信息的反射光后沿着原有的光路反向返回耦合部2’，其中部分或全部反射光经过分光部5’后，最终由传感部6’转换成电信号，以解析获取位置测量结果。

该种测量装置及方法，由于反射光是沿着入射的光路反向返回入光孔，导致入光孔接收的光谱纯净度不高，导致测量结果有偏差，降低测量精度。

因此，亟待一种改进的光谱共焦测量装置及测量方法，以克服以上缺陷。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种光谱共焦测量装置，以提高测量精度、降低生产成本。

本发明的另一个目的在于提供一种光谱共焦测量方法，以提高测量精度、降低生产成本。

为了实现上述目的，本发明提供一种光谱共焦测量装置，包括：

光源部，用于以第一预定路径射出具有一定波长范围的宽光谱光束；

光学采样部，用于将来自所述光源射出的所述光束聚于待测物体的不同的测量表面，并以不同于与所述第一预定路径相反的第二预定路径输出反射光；以及

测量部，用于接收并处理来自所述光学采样部的所述反射光，以获得测量结果。

较佳地，所述光源部包括光源及与所述光源连接的光源控制器，所述光学采样部包括入光孔、色散物镜组及出光孔。

较佳地，所述光源部还包括位于所述光源下方的聚焦透镜。

较佳地，所述光源为点光源，借助所述光源控制器，所述点光源以环状光束的方式以所述第一预定路径发射进入所述色散物镜组并到达所述测量表面，所述第二预定路径包括：从所述测量表面反射的所述反射光从所述色散物镜组的中心输出，通过所述出光孔后进入所述测量部所述光源为点光源，借助所述光源控制器，所述点光源以环状光束的方式以所述第一预定路径发射进入所述色散物镜组。

作为另一实施例，所述点光源以全光束的入光方式或环状光束的方式射入至所述聚焦透镜，并以环状光束的方式以所述第一预定路径发射进入所述色散物镜组并到达所述测量表面。

较佳地，所述光学采样部还包括位于所述色散物镜组和所述入光孔之间的反射镜，所述反射镜设于所述色散物镜组的轴心线上，用于接收从所述色散物镜组输出的所述反射光并将所述发射光导向所述出光孔。

较佳地，所述光源部还包括位于所述聚焦透镜和所述入光孔之间的反射镜，所述反射镜设于所述色散物镜组的轴心线上，用于接收从所述色散物镜组输出的反射光并将所述发射光导向所述出光孔，其中所述出光孔和所述入光孔为同一孔。

作为另一实施例，所述光源为线光源或点光源，借助所述光源控制器，所述线光源的宽光谱光束以所述第一预定路径发射进入所述色散物镜组的单一侧并达到所述测量表面，所述第二预定路径包括：从所述测量表面反射的所述反射光从所述色散物镜组的相对的对称侧输出，通过所述出光孔后进入所述测量部，其中所述出光孔和所述入光孔为同一孔。

较佳地，所述色散物镜组包括位于所述光源下方的第一级色散物镜组以及位于所述第一级色散物镜组下方的第二级色散物镜组。

作为另一实施例，所述第一级色散物镜组和所述第二级色散物镜组之间设有光阑。

较佳地，所述测量部包括：

分光器，用于接收并处理来自所述光学采样部的所述反射光；

传感器，用于将来自所述分光器的所述反射光转换成电信号；以及

处理器，用于根据来自所述传感器的所述电信号计算测量结果。

较佳地，所述分光器包括：

准直镜，用于将来自所述光学采光部的反射光准直折射；

衍射光栅，用于使来自所述准直镜的反射光发生衍射；以及

聚焦镜，用于将衍射后的反射光聚焦到所述传感器。

相应地，本发明提供一种光谱共焦测量方法，包括：

控制光源以第一预定路径射出具有一定波长范围的宽光谱光束；

将来自所述光源射出的所述光束聚于待测物体的不同的测量表面，并以不同于与所述第一预定路径相反的第二预定路径输出反射光；以及

接收并处理所述反射光并计算测量结果。

与现有技术相比，本发明的光谱共焦测量装置及方法，设定特定的光路，具体是通过控制入射的测量光束以第一预定路径射出，并以不同于第一预定路径的相反方向的第二预定路径输出反射光，以此方式将不期望的光束过滤，使得出射光线的光谱的纯净度得以提高，从而提高后续测量部的测量精度。

通过以下的描述并结合附图，本发明将变得更加清晰，这些附图用于解释本发明的实施例。

附图说明

图1为传统的光谱共焦测量装置的示意图。

图2为本发明光谱共焦测量装置的第一实施例的示意图。

图3为本发明光谱共焦测量装置的第二实施例的示意图。

图4为本发明光谱共焦测量装置的第三实施例的局部示意图。

图5a为本发明光谱共焦测量装置的第四实施例在X方向上的示意图。

图5b为本发明光谱共焦测量装置的第四实施例在Y方向上的示意图。

图5c为图5a-5b中的光阑的结构示意图。

图6为本发明光谱共焦测量装置的第五实施例的示意图。

图7为本发明光谱共焦测量装置的第六实施例的示意图。

具体实施方式

下面将参考附图阐述本发明几个不同的最佳实施例，其中不同图中相同的标号代表相同的部件。如上所述，本发明的实质在于提供一种改进的光谱共焦测量装置及测量方法，通过控制入射光的方向以优化光路，从而提高测量精度、降低生产成本。

请参考图2，本发明的光谱共焦测量装置200的一个实施例包括光源部210、光学采样部220、测量部230。该光源部210用于以第一预定路径射出具有一定波长范围的宽光谱光束，光学采样部220用于将来自光源部210射出的宽光谱光束聚于不同的测量表面，并以不同于第一预定路径的相反方向的第二预定路径输出反射光，测量部230用于接收并处理来自光学采样部的所述反射光，以获得测量结果。

具体地，在图2的实施例中，光源部210由壳体210a封装，其具有光源211、与所述光源211连接的光源控制器212，以及位于光源211下方的聚焦透镜213。该光源211可为点光源或线光源，例如LED光源、激光、或例如汞蒸汽等等其他光源。具体地，该光源211射出包括具有从蓝色波长范围到红色波长范围的不同波长的连续可见光束来作为测量光。而光源控制器220则用来控制光源的入光方向及路径，从而优化出光方向路径。针对点光源和线光源的不同，本发明的出光方向及路径不同，下文会结合不同的实施例进行详细介绍。由于在光束进入光学采样部之间需经过聚焦，则聚焦透镜213设置在光学采样部之上。

光源部210和光学采样部220连接，例如通过光纤连接，两者之间设有入光孔(即接口)，该入光孔设于聚焦透镜213的焦点处。具体地，光学采样部220由壳体220a封装，包括入光孔221、色散物镜组222、出光孔223以及反射镜224。具体地，入光孔和出光孔设置在壳体220a上，色散物镜组222设于壳体220a之内，反射镜224位于色散物镜组222和入光孔221之间，且设于色散物镜组222的轴心线上，出光孔224位于壳体220a另一侧以与测量部230连接。可选地，出光孔224可选用销孔或孔径实现。光学采样部220的壳体220a形状可依照实际需求而设定，并不受限制。

具体地，光源部210通过聚焦透镜213及入光孔221将测量光束射出至光学采样部220的壳体内部，测量光束穿过色散物镜组222并且从壳体的前端设置的照射面220b向测量表面S照射。色散物镜组222为针对光谱共焦传感器所涉及的透镜且产生轴向色像差，具体地，色散物镜组222使入射到光学采样部220的光会聚在光轴上与波长相对应的聚焦位置处，因此对应光源中所包含的不同波长的光束被会聚到不同的聚焦位置。光源中包括一定波长范围的连续可见光束，例如红绿蓝三个颜色的光束彼此分离，并且从壳体的照射面向待测表面射出，应当注意的是，也可能射出其他颜色其他波长的光。

测量光束经过待测表面反射经过色散物镜组进入到反射镜224中，从而导向至出光孔223，进而进入测量部230。

具体地，在一个实施例中，测量部230包括分光器240、传感器250及处理器(未示出)。该分光器240用于接收并处理来自光学采样部的反射光，传感器250用于将来自所述分光器的所述反射光转换成电信号，处理器则用于根据来自所述传感器的所述电信号计算测量结果。

作为一个优选实施例，如图所示，该分光器240包括准直镜241、衍射光栅242、聚焦镜243。准直镜241使得从出光孔射出的测量光束大致准直地照射到衍射光栅242上，衍射光栅242使大致准直照射的测量光束发生衍射，成像透镜243使由衍射光栅242衍射的衍射光成像在传感器250上。通常，使+1阶衍射光在传感器250上成像，但也可以对例如-1阶衍射光等的其它衍射光进行成像。应当注意的是，衍射光栅242的具体结构不受限制。

应当注意的是，成像透镜243是色像差小的透镜，并且能够与测量光的波长无关地使衍射光成像在传感器250上。

传感器250的具体结构并不受限制，例如可使用CMOS线传感器或CCD线传感器等，传感器250将测量光转换成电信号，并传送至处理器。基于接收到的信号，处理器可计算待测物体的位置。具体的计算方法可参考现有技术，在此不详述。

下面依照几个实施例对本发明的光路控制进行详细描述。

在如图2所示的实施例中，光源控制器212控制点光源211的测量光束以全光束(即不遮蔽任何区域的光束)的形式进入至聚焦透镜213，经过聚焦透镜213聚焦在入光孔221进入光学采样部220的壳体220a，并以环状光束(即将中心区域的光束遮蔽)的方式以预定方向射入色散物镜组222中，如图中箭头A1所示。其中，点光源211在本文中，第一预定路径定义为：来自光源的光束从入光孔221射入色散物镜组222，继而达到待测表面S的路径(即入光路径)；第二预定路径定义为：自待测表面S反射的光束穿过色散物镜组222，继而穿过出光孔进入测量部的路径230的路径(即出光路径)。本文所述的第一预定路径可以指代完整或部分的入光路径，本文所述的第二预定路径可以指代完整或部分的出光路径。在本实施例中，如图2所示，第一预定路径为A1+a1，第二预定路径为C1+c1。如图所示，以待测物体的表面S作为基准，色散物镜组222的设置与待测物体的待测表面S平行，点光源的测量光束以预定路径A1与待测表面呈一定角度地入射至色散物镜组222，具体为位于中心的光束被屏蔽，仅保留环状光束入射，经过色散物镜组222后达到待测表面S，反射光沿着C1的路径从色散物镜组222的中心部分穿出，继而测量光束从反射镜224处反射至出光孔223。由此可见，测量光束的出光路径并非从入光路径原路返回，而是采取上述特定的路径。这样的好处是将不符合的光束过滤，使得出射光线的光谱的纯净度得以提高，从而提高后续测量部的测量精度。

优选地，上述光源211、聚焦透镜213、入光孔221、色散物镜组222以及待测表面S以及反射镜224呈共轴设置，即其中心位于同一直线上。该设置可减少整个光谱共焦测量装置的体积，从而降低生产成本。

另外，通过上述的光路控制大幅提高测量精度，本发明的光学采样部中的色散物镜组222中色散物镜的个数不受限制，可设置为一个或多个，以适应不同的设计需求。

图3展示本发明采用点光源的另一实施例，与第一实施例不同之处在于：点光源211在进入光学采样部220之间的出光方式、出光孔的设置、以及用于导光至测量部的反射镜224’的设置。

具体地，如图所示，点光源211发出的测量光束的中心光线被屏蔽，而采用环状光束的方式进入聚焦透镜213，继而经过聚焦透镜213聚焦后通过入光孔221进入光学采样部220的壳体，以环状光束的方式入射至色散物镜组222上，入光路径A2、a2即如上一实施例的A1、a1一致。但出光路径则有所不同。具体地，本实施例中用于导光的反射镜224’则设置光源部210，而非光学采样部220。即，反射镜224’位于聚焦透镜213和入光孔221之间，该反射镜224’设于色散物镜组220的轴心线上。亦即，本实施例中的出光孔和入光孔为同一个孔，出光时，测量光束从测量表面S的反射后，反射光沿C2的路径从色散物镜组222的中心部分穿出，继而再次经过入光孔221而进入光源部210中的反射镜224’，最后由反射镜224’直接导向至测量部230。即，本实施例的出光路径包括C2+c2。该特定的光路同样可将不符合的光束过滤，使得出射光线的光谱的纯净度得以提高，从而提高后续测量部的测量精度。本实施例中，由于光束的入射与反射共用同一个入光孔，因此安装及调试效率更高。

本实施例中的测量部230与第一实施例中的测量部230结构一致，在此不赘述。

作为第三实施例，图4示出另一种测量结构及光路控制。其中，线光源或点光源均可作为入射光源。以线光源211’为例，与前两个实施例不同，本实施例包括两级色散物镜组，即，第一级色散物镜组222a、第二级色散物镜组222b以及待测表面S由上至下(如图示)依次共轴设置。借助光源控制器，线光源211’的测量光束经过入光狭缝221’后仅从第一级色散物镜组222a的单一侧以第一预定路径A3进入第二级色散物镜组222b的单一侧，继而达到测量表面S，测量光束自测量表面S反射并从第二级色散物镜组222b的相对的对称侧以第二预定路径C3射出，从而反射到线光源的入光狭缝221’，继而进入位于入光狭缝221’一侧的测量部(未示出)以进行测量。此种光路控制方式，只有位于共焦线上特定波长的光束才能经过测量表面进入色散透镜组最后经由入光狭缝221’进入测量部(成像系统)，不符合的光束无法进入测量部，因此有效减小共焦线外其它反射波长的干扰，使测试灵敏度更高，测量精度提高。本实施例中的测量部与第一实施例中的测量部230结构一致，在此不赘述。

图5a-5c则示出本发明光谱共焦测量装置的另一优选实施例的结构及光路控制。本实施例为线光源共焦测量装置，如图4所示的实施例一致，光源部210及测量部230位于入光狭缝221’的同侧，第一级色散物镜组222a、第二级色散物镜组222b共轴设置。与上一实施例不同的是，第一级色散物镜组222a和第二级色散物镜组222b之间设有光阑26，如图5c所示，光阑26设有两个通道26a、26b分别供入光及出光，两通道的形状为方形，也可为其它形状。借助光阑26，可将入射和反射光路有效分开，过滤杂光，也可减少共焦线外其它反射波长的干扰。

具体的光路控制如下：借助光源控制器，光源210的测量光束经过入光狭缝221’后，从第一级色散物镜组222a的单一侧以第一预定路径A4进入，经过光阑26中的入光口26a，进入第二级色散物镜组222b的单一侧，继而达到测量表面S，测量光束自测量表面S反射并从第二级色散物镜组222b的相对的对称侧以第二预定路径C4射出，具体地，反射光从第二级色散物镜组222b穿出后，经过光阑26的出光口26b从而经过入光狭缝221’，最后进入位于入光狭缝221’一侧的测量部230以进行测量。

值得注意的是，图4及图5a-5b所示的实施例中无需使用如图2-3所示的聚焦透镜和反射镜，结构更简单。

图6和图7分别展示本发明光谱共焦测量的第五、第六实施例，其中图6为基于图2的变形例，图7为图3的变形例。此两实施例的光路控制与前述相反：以色散物镜组为描述基准，测量光从色散物镜组的中心区域入射，反射的测量光则从色散物镜组的外周以环状光束的方式出射。具体的光路控制以及结构如下所述。此两实施例中特定的光路同样可将不符合的光束过滤，使得出射光线的光谱的纯净度得以提高，从而提高后续测量部的测量精度。

将图2所示的光源部和测量部的位置互换，入光孔和出光孔的位置互换，即可得到如图6所示的第五实施例。即，光源部210中的光源211通过聚焦透镜213以及入光孔221将测量光束射出至光学采样部220的壳体内部，继而经过反射镜224反射，测量光束从色散物镜组222的中心部分穿过，到达测量表面S，图中所示的A5+a5即为局部入光路径。从测量表面S反射的光束从色散物镜组的周边以光环圈状光束穿过，继而从出光孔223进入测量部230，图中所示的C5+c5即为局部出光路径。

类似地，将图3所示的光源部和测量部的位置互换，入光孔221和出光孔221仍然共用同一孔，需注意的是，反射镜224’的位置不变。如图6所示，光源部210中的光源211通过聚焦镜213聚焦到反射镜224’上，继而被导向穿过入光孔221而进入光学采样部220的内部，具体为从色散物镜组222的中心部分穿过继而到达测量表面S，图中所示的A6+a6即为局部入光路径。从测量表面S反射的光束从色散物镜组的周边以光环圈状光束穿过，继而再次通过入光孔221进入测量部230，图中所示的C6+c6即为局部出光路径。

相应地，本发明公开一种光谱共焦测量方法，该方法包括以下步骤：

控制光源以第一预定路径射出具有一定波长范围的宽光谱光束；

将来自所述光源射出的所述宽光谱光束聚于待测物体的不同的测量表面，并以不同于与所述第一预定路径相反的第二预定路径输出反射光；以及

接收并处理所述反射光并计算测量结果。具体的光路控制方法请见以上实施例的描述。

综上，本发明的光谱共焦测量装置及方法，设置特定的光路，具体是通过控制入射的测量光束以第一预定路径射出，并以不同于第一预定路径的相反方向的第二预定路径输出反射光，以此方式将不期望的光束过滤，有效减小共焦线外其它反射波长的干扰，使得出射光线的光谱的纯净度得以提高，从而提高后续测量部的测试灵敏度、测量精度。而且该装置结构简单，可降低生产成本。

以上所揭露的仅为本发明的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (9)

1.一种光谱共焦测量装置，其特征在于，包括：

光源部，用于以第一预定路径射出具有一定波长范围的宽光谱光束；

光学采样部，用于将来自所述光源部射出的所述宽光谱光束聚于待测物体的不同的测量表面，并以不同于与所述第一预定路径相反的第二预定路径输出反射光；以及

测量部，用于接收并处理来自所述光学采样部的所述反射光，以获得测量结果；

其中，还包括反射镜，所述光源部包括光源及与所述光源连接的光源控制器，所述光学采样部包括入光孔、色散物镜组及出光孔；

所述第一预定路径包括：所述宽光谱光束射入所述色散物镜组，继而达到测量表面的路径；所述第二预定路径包括：自测量表面反射的所述宽光谱光束穿过所述色散物镜组，继而到达所述反射镜之前的路径；所述第一预定路径和所述第二预定路径不重叠。

2.如权利要求1所述的光谱共焦测量装置，其特征在于：所述光源部还包括位于所述光源下方的聚焦透镜。

3.如权利要求2所述的光谱共焦测量装置，其特征在于：所述光源为点光源，借助所述光源控制器，所述点光源以环状光束的方式以所述第一预定路径发射进入所述色散物镜组并到达所述测量表面，所述第二预定路径包括：从所述测量表面反射的所述反射光从所述色散物镜组的中心输出，通过所述出光孔后进入所述测量部。

4.如权利要求3所述的光谱共焦测量装置，其特征在于：所述点光源以全光束的入光方式或环状光束的方式射入至所述聚焦透镜，并以环状光束的方式以所述第一预定路径发射进入所述色散物镜组并到达所述测量表面。

5.如权利要求3所述的光谱共焦测量装置，其特征在于：反射镜位于所述色散物镜组和所述入光孔之间，所述反射镜设于所述色散物镜组的轴心线上，用于接收从所述色散物镜组输出的所述反射光并将所述反射光导向所述出光孔。

6.如权利要求4所述的光谱共焦测量装置，其特征在于：所述反射镜位于所述聚焦透镜和所述入光孔之间，所述反射镜设于所述色散物镜组的轴心线上，用于接收从所述色散物镜组输出的反射光并将所述反射光导向所述测量部，其中所述出光孔和所述入光孔为同一孔。

7.如权利要求1所述的光谱共焦测量装置，其特征在于：所述测量部包括：

分光器，用于接收并处理来自所述光学采样部的所述反射光；

传感器，用于将来自所述分光器的所述反射光转换成电信号；以及

处理器，用于根据来自所述传感器的所述电信号计算测量结果。

8.如权利要求7所述的光谱共焦测量装置，其特征在于：所述分光器包括：

准直镜，用于将来自所述光学采光部的反射光准直折射；

衍射光栅，用于使来自所述准直镜的反射光发生衍射；以及

聚焦镜，用于将衍射后的反射光聚焦到所述传感器。

9.一种光谱共焦测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

控制光源以第一预定路径射出具有一定波长范围的宽光谱光束；

将来自所述光源射出的所述宽光谱光束聚于待测物体的不同的测量表面，并以不同于与所述第一预定路径相反的第二预定路径输出反射光；以及

接收并处理所述反射光并计算测量结果；

其中，所述第一预定路径包括：所述宽光谱光束射入色散物镜组，继而达到测量表面的路径；所述第二预定路径包括：自测量表面反射的所述宽光谱光束穿过色散物镜组，继而到达反射镜之前的路径；所述第一预定路径和所述第二预定路径不重叠。

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